基于GT-Power和CFD的某發(fā)動機消聲器結(jié)構(gòu)優(yōu)化與分析

梁永勤

摘要：針對某四缸發(fā)動機消聲性能在某些工況下不理想的狀況，本文通過在GT-Power中建立發(fā)動機及消聲器耦合模型，同時聯(lián)合使用CFD仿真，在不增大壓力損失的前提下，對其消聲器進行了優(yōu)化。通過對消聲器消聲擴張比，擴張腔個數(shù)及長度，內(nèi)插管長度的優(yōu)化改進，提高了消聲性能。結(jié)果表明：優(yōu)化后的消聲器在260-690Hz范圍內(nèi)，消聲量平均提高了7dB，全頻率范圍內(nèi)消聲量減小了4dB，消聲效果明顯。

Abstract： In view of the unsatisfactory performance of the noise reduction performance of a four-cylinder diesel engine under certain working conditions， this paper optimizes its muffler by establishing an engine mode in GT-Power without increasing pressure loss. By optimizing and improving the muffler expansion ratio， number and length of expan-sion cavities， the length of the inner cannula， the muffler performance has been improved. The results show that： in the range of 260-690Hz， the noise reduce 7dB on average， the noise reduction in the full frequency range is 4dB， the effect is obvious.

關(guān)鍵詞：消聲器;擴張比;擴張腔;優(yōu)化

Key words： muffler;expansion ratio;expansion cavity;optimization

中圖分類號：TB535.2? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）05-0035-03

0? 引言

消聲器作為目前發(fā)動機排氣降噪的有效途徑，隨著汽車噪聲法規(guī)的日益嚴(yán)格，其重要性隨之突出，消聲器設(shè)計需要滿足的要求也越來越高。傳統(tǒng)消聲器的設(shè)計主要依靠試驗來反復(fù)驗證，存在著設(shè)計周期長，費用高，且設(shè)計時常常把消聲器和發(fā)動機性能孤立考慮的缺點[1]。隨著計算機軟件技術(shù)的發(fā)展和在實際工程技術(shù)中應(yīng)用，發(fā)動機仿真技術(shù)也在快速發(fā)展并日漸成熟。

消聲器性能研究對于設(shè)計研究有著重要的現(xiàn)實意義，其性能評價指標(biāo)主要有：聲學(xué)性能和動力學(xué)性能[2]。聲學(xué)性能評價通常用傳遞損失和插入損失來評價。傳遞損失是指消聲元件入口處的入射聲功率級和出口處的透射聲功率級之差;插入損失是指安裝消聲器前后的聲功率級之差?？諝鈩恿W(xué)性能用消聲器的壓力損失來表示，即氣流通過消聲器的進出口端的總壓差[3]。本文分別采用插入損失和壓力損失來評價消聲器的聲學(xué)性能和空氣動力學(xué)性能。

1? 基于GT-Power的發(fā)動機及排氣系統(tǒng)仿真建模

GT-Power目前在汽車發(fā)動機CFD仿真中被廣泛應(yīng)用，其不僅能對發(fā)動機進、排氣系統(tǒng)進行噪音分析，還能對進、排氣系統(tǒng)的消聲器進行優(yōu)化設(shè)計[4，5]。本文以某四缸發(fā)動機為研究對象，其主要參數(shù)如表1所示。GT-Power中建立的發(fā)動機模型如圖1所示。

本文主要針對某發(fā)動機消聲性能不佳對消聲器進行優(yōu)化，因此，根據(jù)排氣系統(tǒng)實際結(jié)構(gòu)參數(shù)進行建模，并將離散化后的消聲器模型與發(fā)動機在GT-power進行耦合，耦合后模型如圖2所示。

2? 消聲器結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化

2.1 原消聲器性能分析

發(fā)動機原消聲器第一腔室長102mm，第二腔室118mm，第三腔室229mm。其擴張比為21.6。在第二腔室及距出口50mm處套筒中附有吸聲材料，以吸收高頻噪聲。原消聲器模型如圖3所示。

因該發(fā)動機主要工作在中低轉(zhuǎn)速，故選取該發(fā)動機在2000rpm時，測試其原模型插入損失，并進一步將原消聲器導(dǎo)入Fluent中，分析其內(nèi)部流場情況，結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知，雖然消聲器整體消聲量在23dB以上，但在300-800Hz范圍內(nèi)的消聲量小，效果不佳。從內(nèi)部流場可知，消聲器進出口流速較大，中間腔室流速較小，氣流的速度呈現(xiàn)逐漸變小的趨勢，會造成相應(yīng)的壓力損失。第一、二腔室存在的渦流和回流，也是造成壓力損失的主要原因。

2.2 消聲器性能優(yōu)化

2.2.1 擴張腔長度

擴張腔的改變，可以使沿管道傳播的部分聲波發(fā)生反射并與源聲波干涉相消，達到消聲的目的。其傳遞損失特性主要受擴張比m和擴張腔長度L的影響，首先以擴張比m和擴張腔長度L為變量，分析其對消聲量的影響。擴張腔長度和進氣管直徑參數(shù)如表2所示。不同擴張腔長度下的消聲器的傳遞損失曲線如圖5所示。

由圖5可知，改變擴張腔長度和擴張比，消聲器消聲中心位置會隨之移動，消峰值也會有所改變。對發(fā)動機原消聲器，當(dāng)消聲器擴張腔長度為150mm，擴張比為24時，消聲器的消聲量最大。

2.2.2 擴張腔個數(shù)

保持消聲器結(jié)構(gòu)參數(shù)不變，進一步改變擴張腔個數(shù)來驗證擴張腔個數(shù)的影響。圖6（a）為氣體由進氣管進入中間的擴張腔，再由內(nèi)插管進入第二個擴張腔;圖6（b）為消聲器腔體內(nèi)再增加一個隔板，消聲器內(nèi)有兩個內(nèi)插管的三個擴張腔結(jié)構(gòu)。不同擴張腔個數(shù)的消聲器的傳遞損失曲線如圖7所示。

由圖7可知，擴張腔個數(shù)越多，整體消聲量越好，但消聲頻率有所不同。從傳遞損失可知，兩腔和三腔消聲器的傳遞損失均高于原消聲器，但針對原發(fā)動機，其中頻噪聲較高，且兩腔結(jié)構(gòu)對于原消聲器改動最小，故優(yōu)先選擇擴張腔為兩個。

2.2.3 內(nèi)插管長度

消聲器進出口內(nèi)插管長度對于特定通過頻率處消聲量有著不小的影響，本文針對不同的內(nèi)插管長度進行了研究，內(nèi)插管長度如表3所示，不同內(nèi)插管長度下的消聲器的傳遞損失曲線如圖8所示。

由圖8可知，不同的內(nèi)插管長度，對中高頻的消聲中心位置會有所移動，最大消聲量也有所不同。在600-900Hz范圍內(nèi)，進、排氣內(nèi)插管長度都為25mm時，消聲器整體消聲量最大，在其他頻率則相差不大。且由研究表明[6，7]，氣流速度相同時，當(dāng)增加出氣管的插入長度時，湍流噪聲也會增大，故改進方案優(yōu)先選擇內(nèi)插管長度為25/25mm。

3? 優(yōu)化后消聲器設(shè)計方案

由以上分析可知，改變消聲器擴張腔長度和擴張比，改變擴張腔個數(shù)及內(nèi)插管長度均對消聲器最大消聲量有所改變，最終選擇消聲器優(yōu)化方案與原消聲器結(jié)構(gòu)參數(shù)如表4所示，優(yōu)化后消聲器三維模型如圖9所示，優(yōu)化后插入損失如圖10所示。優(yōu)化后消聲器內(nèi)部流場圖如圖11所示。

由圖10可知，在260-690Hz范圍內(nèi)，消聲量平均提高了7dB，在整個計算頻率范圍內(nèi)，消聲器的插入損失提高了4dB，說明優(yōu)化后消聲器模型的消聲量明顯提高，消聲性能得到了改善。

由圖11可知，優(yōu)化后消聲器腔體內(nèi)氣體流動更加平穩(wěn)。避免了氣體流速產(chǎn)生較大變化和局部氣體流速過高的現(xiàn)象，減小了由于渦流和回流產(chǎn)生的氣流再生噪聲。同時也減小了消聲器的壓力損失，使得柴油機動力性能得到改善。

4? 結(jié)論

在不降低壓力損失的基礎(chǔ)上，研究綜合運用CFD方法及在GT-Power中建立發(fā)動機及消聲器耦合模型，對消聲器進行了聲學(xué)性能分析。根據(jù)仿真結(jié)果及消聲器的基本設(shè)計理論，提出消聲器的優(yōu)化設(shè)計方案，優(yōu)化后降低了0-1000HZ內(nèi)的尾管排氣噪聲。采用GT-power軟件建立發(fā)動機與排氣系統(tǒng)的耦合模型和使用CFD方法聯(lián)合仿真，準(zhǔn)確度高，且對消聲器的設(shè)計優(yōu)化起到指導(dǎo)作用，縮短了設(shè)計周期，節(jié)約設(shè)計成本。

參考文獻：

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